MP3 文件的 VBR 和 CBR 之间的一些基本区别。
导语
从比特率编码方式的角度来看,目前其中一种最常见的音频文件格式MP3,可以再分为两种类型:一种是恒定比特率CBR(Constant Bit-Rate),这种类型的mp3每一帧的比特率都是恒定唯一的;另外一种就是可变比特率VBR(Variable Bit-Rate),这种类型就跟CBR相反,每一帧的比特率是不固定的,帧与帧之间的比特率可能一样也可能不一样。由于存在这样两种类型,播放mp3文件时需要做的一些工作,比如获取音频信息和播放进度控制,就需要分开处理。
一些基本概念的介绍
要明确理解CBR和VBR的具体差异,就需要先了解音频文件的一个重要属性:比特率(Bitrate),比特率又称码率或者位率,是指每秒传送的比特(bit)数。单位为 bps(Bit Per Second),比特率越高,传送数据速度越快。音频中的比特率是指将模拟声音信号转换成数字声音信号后,单位时间内的二进制数据量,是间接衡量音频质量的一个指标。
音频文件的比特率单位一般是kbps,1 kbps = 1000 bps。而mp3的比特率默认是128 kbps,但是目前网络下载到的mp3更为常见的是192 kbps,而如果要获取更加好的音质的高清mp3,比特率通常都要到达320 kbps,通常来讲,比特率越高,音质就越好,但占用磁盘的空间就越大。
一般来说,声音片段的音调越高,就需要更多的空间去存储,比特率就越高。传统的mp3文件是CBR编码的,也就是每一帧的比特率都是相同的,这样就带来了一个问题:如果每一帧的比特率是相同的,那么每一帧的数据大小都是一样的,无论这一帧的音调是高还是低,都是使用整段音频中音调比较高的音频帧的存储空间的大小来存储这一帧,但是对于音调低的音频帧,其实并不需要这么大的存储空间。这样就会造成存储空间的浪费,无形中增大了mp3文件的大小。
VBR编码技术的出现,就是为了解决这个空间浪费的问题。VBR技术对每个音频帧选择最适合这一帧的比特率,对于音调比较低的音频帧,比特率会比较低,数据大小就比较小,音调比较高的则比特率就会比较高,数据大小就比较大。这样就能在不损失音频质量的前提下,节省音频数据的存储空间,进一步压缩mp3的文件大小。
上图简要对比了CBR和VBR两种类型的mp3文件的数据内容上的差别。可以看到,VBR编码的mp3,帧与帧之间由于数据内容的差异,比特率不一定相同,通常VBR技术会在8~320 kbps这个范围压缩编码,所以相比整个文件中比特率都是恒定的CBR编码,VBR编码在整个文件中比特率是浮动可变的,这也是VBR(可变比特率)这个名字的由来。
除了CBR和VBR这两种编码,还存在一种ABR类型(Average Bit-Rate,平均比特率)的编码,它与CBR基本相同,大多数音频帧以指定的比特率编码,但会在个别适当的内容使用高于指定的比特率编码,但是通常这种内容很短,所以在文件大小上跟CBR相比没有太大的差异,因此这种类型并不常见。
VBR技术对比CBR技术存在的缺点
使用VBR技术来编码压缩mp3文件,诚然可以优化文件的大小,但同时在音频信息的获取和播放进度的控制也带来了一些新的问题。
首先是音频时间长度的计算。如果是CBR编码,由于比特率恒定,所有音频帧的数据大小是固定的,所以每一秒播放所需解码的数据大小都是相同的,这样计算音频的时间长度就非常简单。使用以下公式即可:
时间长度(s)=(文件总长度(Byte)- id3字段总大小(如果存在))* 8 /(比特率(kbps) * 1000)
公式中,id3字段是指放在mp3文件开头或末尾的基本信息字段,通常用来记录音频文件的名字,歌手名,专辑名这三个信息,id3分v1和v2两个版本,v1只记录上述的三种信息,且大小固定,一般放在文件末尾;v2则比v1灵活,记录的信息类型不限于上述三种,且大小不固定,一般放在文件开头。id3字段是可选字段,mp3文件不一定有,所以计算mp3的音频时间,需要先读取获知id3是否存在。
对于VBR编码的mp3文件,由于每一帧的比特率是不固定的,所以每一帧的数据大小是任意的。显然这样每秒播放的数据大小都不一样。这样整个音频的时间长度就不能以上述公式计算,需要借助其他的数据字段,这是VBR技术的其中一个缺点:计算音频时长相对困难复杂。
VBR技术还有另外一个缺点,播放音频文件的时候不可避免会有跳到指定时间的位置播放的操作(也就是常说的seek操作),这时就需要把目标的时间位置换算成文件位置,再跳转到这个文件位置偏移读取解码,如果是网络播放的边下载边播放的模式,在seek操作的时候还需要先计算出这个文件位置,跳转到这个位置先下载一段才能继续播放。对于CBR编码,换算成文件位置偏移也很简单,使用的是以下公式:
文件位置(byte) = 目标时间位置(s)* 比特率(kbps)* 1000 / 8 + id3v2字段大小(如果存在)
但是对于VBR编码,显然也是不能使用这个公式换算出文件位置的。原因也很简单:每一帧的比特率不固定,每秒的数据长度不平均。所以跟计算时长一样,需要借助其他数据字段。
VBR编码计算音频时长和实现seek操作的方法
为了解决上述的两个问题,VBR编码增加了一些数据字段。目前VBR编码技术主要有两种,一种是Xing公司提出的Xing规范,一种是Fraunhofer编码器的VBRI规范,由于使用VBRI规范的VBR编码不常见,大多数VBR编码都是采用Xing规范,所以本文只对Xing规范如何解决音频长度计算和seek操作的实现作介绍。
Xing规范的主要内容是Xing头,这是指VBR编码的mp3的开头第一个音频帧不用来存储具体的音频数据,而是用来存储一些额外的音频信息。这些信息以“Xing”这四个字符作为字段开头的标记(也有部分文件以“Info”这四个字符作为Xing头的开头标记)。
Xing头在第一个音频帧中的位置,是在标准的4个byte的mp3音频帧帧头之后,在帧头和Xing头之间,会有一段数据内容全是0的空白部分,这个空白部分的长度是指定的。解码器在解析到第一个音频帧的帧头之后,就是通过跳过这段指定长度的空白部分,然后判断接下来的内容是否就是‘Xing’或者‘Info’这四个字符,来判断音频是否VBR编码。
空白部分的长度有mpeg版本和声道数决定,具体如下表(单位为byte):
MPEG版本 |
单声道 |
非单声道 |
---|---|---|
MPEG 1 |
18 |
32(最常见) |
MPEG 2 |
9 |
18 |
下图是VBR编码的mp3的第一帧数据的字段结构的例子:
Xing头的字段结构和存储的信息内容如下表:
现在首先看看如何利用Xing头中的信息来计算VBR编码中音频时间的长度。
如果Xing头中包含总帧数这个信息,那么就先把总帧数读出来,假设文件如上表中举例,总帧数是7344。然后乘以每帧采样数,得到总采样数。每帧采样数是mp3文件的固定属性,这个数值由MPEG版本和layer版本决定,与编码类型是CBR还是VBR无关。
每帧采样数详细如下表:
MPEG版本 |
Layer 1 |
Layer 2 |
Layer 3 |
---|---|---|---|
MPEG 1 |
384 |
1152 |
1152 |
MPEG 2 |
384 |
1152 |
576 |
文件是mp3格式,也就是MPEG 1 Layer 3,每帧采样数就是1152,那么总采样数就是
7344 * 1152 = 8460288。
现在得到了总采样数,那么总的音频时间就不难得出了,由于采样率也是音频文件的固定属性,假设是44.1 kHz,所以总的音频时间就是总采样数除以采样率,也就是
8460288 / 44100 = 191 (s)
因此,只要VBR编码的Xing头里带有包含总帧数这个字段(一般都会有),就能计算得出音频时长。
下面再来看看VBR编码如何利用Xing头的信息实现Seek操作。
VBR编码的seek操作主要是利用Xing头中的TOC表(如果这个表存在),TOC表(Table Of Contents)是一个长度为100的byte数组,数组中每个元素都代表在音频时长内的一个特定的时间点对应的文件的相对位置。 简单的说,TOC表的组成,就是把整个文件平均分成256段,每一段代表一个文件位置,再把总的音频时长平均分为100段,每一段代表一个时间点,然后对这100个时间点,每一个都找出256个文件位置中其对应的那个位置,这个位置是这256个位置中的相对位置,取值在0~255,放在TOC表中。
如何使用TOC表实现时间点到文件位置的映射,算法如下:
假设文件持续240秒,现在需要跳到60秒,文件长度为5000000 byte,那么先用以下公式计算出60秒对应TOC表的哪个元素:
TOC[(60 / 240) * 100] = TOC[25]
然后在根据以下公式算出文件位置:
(TOC[25] / 256) * 5000000
但是上述算法,只能在这种情况有效:目标时间点是TOC时间点,也就是目标时间点在把总时长平均分成100份的100个时间点之中,对于目标时间点不在这100个时间点之中的情况,如果参考android系统在解码VBR编码的mp3时候的做法,就是在上述算法的基础上,再算出目标时间点在时间位置上处于那100个TOC时间点中的哪两个相邻的TOC时间点之间,假设这两个TOC时间点对应的相对文件位置是TOC[a]和TOC[b],通过这两个相对文件位置用线性插值的方式算出目标时间点的相对文件位置,进而算出目标文件位置。
android系统源码中利用Xing头的TOC表实现音频时间点和其对应的文件位置的换算,代码如下:
bool XINGSeeker::getOffsetForTime(int64_t *timeUs, off64_t *pos) {
if (mSizeBytes == 0 || !mTOCValid || mDurationUs < 0) {
return false;
}
float percent = (float)(*timeUs) * 100 / mDurationUs;
float fx;
if( percent <= 0.0f ) {
fx = 0.0f;
} else if( percent >= 100.0f ) {
fx = 256.0f;
} else {
int a = (int)percent;
float fa, fb;
if ( a == 0 ) {
fa = 0.0f;
} else {
fa = (float)mTOC[a-1];
}
if ( a < 99 ) {
fb = (float)mTOC[a];
} else {
fb = 256.0f;
}
fx = fa + (fb-fa)*(percent-a);
}
*pos = (int)((1.0f/256.0f)*fx*mSizeBytes) + mFirstFramePos;
return true;
}
以上就是VBR编码的mp3播放的seek操作的具体实现原理。
结语
通过以上的分析介绍,我们可以知道,mp3的CBR和VBR两种编码类型各有优劣:在编解码的复杂程度的角度看,CBR相对简单容易操作;在存储空间的利用率的角度看,VBR利用率更高。由于mp3是目前最常见的音频格式,在做客户端的音频解码工作的时候,对这两种编码类型都要做细致的针对性的处理,这样才能减少播放mp3出现的问题,提高播放的体验。
参考资料:
MPEG音频文件格式(包括MP3格式)详解——转载:http://blog.chinaunix.net/uid-20792001-id-1841011.html
MP3 File Structure Description:http://www.multiweb.cz/twoinches/mp3inside.htm
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F#探险之旅(二):函数式编程(上)-函数式编程范式简介 F#主要支持三种编程范式:函数式编程(Functional Programming,FP)、命令式编程(Imperative Programming)和面向对象(Object-Oriented,OO)的编程。回顾它们的历史,FP是最早的一种范式,第一种FP语言是IPL,产生于1955年,大约在Fortran一年之前。第二种FP语言是Lisp,产生于1958,早于Cobol一年。Fortan和Cobol都是命令式编程语言,它们在科学和商业领域的迅速成功使得命令式编程在30多年的时间里独领风骚。而产生于1970年代的面向对象编程则不断成熟,至今已是最流行的编程范式。有道是“*代有语言出,各领风骚数十年”。 尽管强大的FP语言(SML,Ocaml,Haskell及Clean等)和类FP语言(APL和Lisp是现实世界中最成功的两个)在1950年代就不断发展,FP仍停留在学院派的“象牙塔”里;而命令式编程和面向对象编程则分别凭着在商业领域和企业级应用的需要占据领先。今天,FP的潜力终被认识——它是用来解决更复杂的问题的(当然更简单的问题也不在话下)。 纯粹的FP将程序看作是接受参数并返回值的函数的集合,它不允许有副作用(side effect,即改变了状态),使用递归而不是循环进行迭代。FP中的函数很像数学中的函数,它们都不改变程序的状态。举个简单的例子,一旦将一个值赋给一个标识符,它就不会改变了,函数不改变参数的值,返回值是全新的值。 FP的数学基础使得它很是优雅,FP的程序看起来往往简洁、漂亮。但它无状态和递归的天性使得它在处理很多通用的编程任务时没有其它的编程范式来得方便。但对F#来说这不是问题,它的优势之一就是融合了多种编程范式,允许开发人员按照需要采用最好的范式。 关于FP的更多内容建议阅读一下这篇文章:Why Functional Programming Matters(中文版)。F#中的函数式编程 从现在开始,我将对F#中FP相关的主要语言结构逐一进行介绍。标识符(Identifier) 在F#中,我们通过标识符给值(value)取名字,这样就可以在后面的程序中引用它。通过关键字let定义标识符,如: let x = 42 这看起来像命令式编程语言中的赋值语句,两者有着关键的不同。在纯粹的FP中,一旦值赋给了标识符就不能改变了,这也是把它称为标识符而非变量(variable)的原因。另外,在某些条件下,我们可以重定义标识符;在F#的命令式编程范式下,在某些条件下标识符的值是可以修改的。 标识符也可用于引用函数,在F#中函数本质上也是值。也就是说,F#中没有真正的函数名和参数名的概念,它们都是标识符。定义函数的方式与定义值是类似的,只是会有额外的标识符表示参数: let add x y = x + y 这里共有三个标识符,add表示函数名,x和y表示它的参数。关键字和保留字关键字是指语言中一些标记,它们被编译器保留作特殊之用。在F#中,不能用作标识符或类型的名称(后面会讨论“定义类型”)。它们是: abstract and as asr assert begin class default delegate do donedowncast downto elif else end exception extern false finally forfun function if in inherit inline interface internal land lazy letlor lsr lxor match member mod module mutable namespace new nullof open or override private public rec return sig static structthen to true try type upcast use val void when while with yield 保留字是指当前还不是关键字,但被F#保留做将来之用。可以用它们来定义标识符或类型名称,但编译器会报告一个警告。如果你在意程序与未来版本编译器的兼容性,最好不要使用。它们是: atomic break checked component const constraint constructor continue eager event external fixed functor global include method mixinobject parallel process protected pure sealed trait virtual volatile 文字值(Literals) 文字值表示常数值,在构建计算代码块时很有用,F#提供了丰富的文字值集。与C#类似,这些文字值包括了常见的字符串、字符、布尔值、整型数、浮点数等,在此不再赘述,详细信息请查看F#手册。 与C#一样,F#中的字符串常量表示也有两种方式。一是常规字符串(regular string),其中可包含转义字符;二是逐字字符串(verbatim string),其中的(")被看作是常规的字符,而两个双引号作为双引号的转义表示。下面这个简单的例子演示了常见的文字常量表示: let message = "Hello World"r"n!" // 常规字符串let dir = @"C:"FS"FP" // 逐字字符串let bytes = "bytes"B // byte 数组let xA = 0xFFy // sbyte, 16进制表示let xB = 0o777un // unsigned native-sized integer,8进制表示let print x = printfn "%A" xlet main = print message; print dir; print bytes; print xA; print xB; main Printf函数通过F#的反射机制和.NET的ToString方法来解析“%A”模式,适用于任何类型的值,也可以通过F#中的print_any和print_to_string函数来完成类似的功能。值和函数(Values and Functions) 在F#中函数也是值,F#处理它们的语法也是类似的。 let n = 10let add a b = a + blet addFour = add 4let result = addFour n printfn "result = %i" result 可以看到定义值n和函数add的语法很类似,只不过add还有两个参数。对于add来说a + b的值自动作为其返回值,也就是说在F#中我们不需要显式地为函数定义返回值。对于函数addFour来说,它定义在add的基础上,它只向add传递了一个参数,这样对于不同的参数addFour将返回不同的值。考虑数学中的函数概念,F(x, y) = x + y,G(y) = F(4, y),实际上G(y) = 4 + y,G也是一个函数,它接收一个参数,这个地方是不是很类似?这种只向函数传递部分参数的特性称为函数的柯里化(curried function)。 当然对某些函数来说,传递部分参数是无意义的,此时需要强制提供所有参数,可是将参数括起来,将它们转换为元组(tuple)。下面的例子将不能编译通过: let sub(a, b) = a - blet subFour = sub 4 必须为sub提供两个参数,如sub(4, 5),这样就很像C#中的方法调用了。 对于这两种方式来说,前者具有更高的灵活性,一般可优先考虑。 如果函数的计算过程中需要定义一些中间值,我们应当将这些行进行缩进: let halfWay a b = let dif = b - a let mid = dif / 2 mid + a 需要注意的是,缩进时要用空格而不是Tab,如果你不想每次都按几次空格键,可以在VS中设置,将Tab字符自动转换为空格;虽然缩进的字符数没有限制,但一般建议用4个空格。而且此时一定要用在文件开头添加#light指令。作用域(Scope)作用域是编程语言中的一个重要的概念,它表示在何处可以访问(使用)一个标识符或类型。所有标识符,不管是函数还是值,其作用域都从其声明处开始,结束自其所处的代码块。对于一个处于最顶层的标识符而言,一旦为其赋值,它的值就不能修改或重定义了。标识符在定义之后才能使用,这意味着在定义过程中不能使用自身的值。 let defineMessage = let message = "Help me" print_endline message // error 对于在函数内部定义的标识符,一般而言,它们的作用域会到函数的结束处。 但可使用let关键字重定义它们,有时这会很有用,对于某些函数来说,计算过程涉及多个中间值,因为值是不可修改的,所以我们就需要定义多个标识符,这就要求我们去维护这些标识符的名称,其实是没必要的,这时可以使用重定义标识符。但这并不同于可以修改标识符的值。你甚至可以修改标识符的类型,但F#仍能确保类型安全。所谓类型安全,其基本意义是F#会避免对值的错误操作,比如我们不能像对待字符串那样对待整数。这个跟C#也是类似的。 let changeType = let x = 1 let x = "change me" let x = x + 1 print_string x 在本例的函数中,第一行和第二行都没问题,第三行就有问题了,在重定义x的时候,赋给它的值是x + 1,而x是字符串,与1相加在F#中是非法的。 另外,如果在嵌套函数中重定义标识符就更有趣了。 let printMessages = let message = "fun value" printfn "%s" message; let innerFun = let message = "inner fun value" printfn "%s" message innerFun printfn "%s" message printMessages 打印结果: fun value inner fun valuefun value 最后一次不是inner fun value,因为在innerFun仅仅将值重新绑定而不是赋值,其有效范围仅仅在innerFun内部。递归(Recursion)递归是编程中的一个极为重要的概念,它表示函数通过自身进行定义,亦即在定义处调用自身。在FP中常用于表达命令式编程的循环。很多人认为使用递归表示的算法要比循环更易理解。 使用rec关键字进行递归函数的定义。看下面的计算阶乘的函数: let rec factorial x = match x with | x when x < 0 -> failwith "value must be greater than or equal to 0" | 0 -> 1 | x -> x * factorial(x - 1) 这里使用了模式匹配(F#的一个很棒的特性),其C#版本为: public static long Factorial(int n) { if (n < 0) { throw new ArgumentOutOfRangeException("value must be greater than or equal to 0"); } if (n == 0) { return 1; } return n * Factorial (n - 1); } 递归在解决阶乘、Fibonacci数列这样的问题时尤为适合。但使用的时候要当心,可能会写出不能终止的递归。匿名函数(Anonymous Function) 定义函数的时候F#提供了第二种方式:使用关键字fun。有时我们没必要给函数起名,这种函数就是所谓的匿名函数,有时称为lambda函数,这也是C#3.0的一个新特性。比如有的函数仅仅作为一个参数传给另一个函数,通常就不需要起名。在后面的“列表”一节中你会看到这样的例子。除了fun,我们还可以使用function关键字定义匿名函数,它们的区别在于后者可以使用模式匹配(本文后面将做介绍)特性。看下面的例子: let x = (fun x y -> x + y) 1 2let x1 = (function x -> function y -> x + y) 1 2let x2 = (function (x, y) -> x + y) (1, 2) 我们可优先考虑fun,因为它更为紧凑,在F#类库中你能看到很多这样的例子。 注意:本文中的代码均在F# 1.9.4.17版本下编写,在F# CTP 1.9.6.0版本下可能不能通过编译。 F#系列随笔索引页面